메가프로젝트
JWST – 제임스 웹 우주 망원경
우주를 더 깊이 들여다보기
일부 메가프로젝트는 거대한 인프라를 포함합니다. 예를 들어, CERN 입자 가속기의 직경 27km 원형 구조 또는 DUNE의 800마일 길이 중성미자 실험입니다.
다른 프로젝트들은 규모가 아니라 복잡성, 비용, 그리고 우주에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 바꾸는 정도 때문에 메가프로젝트로 평가됩니다.
그 좋은 예가 제임스 웹 우주 망원경(JWST)입니다. 이 적외선 우주 망원경은 지금까지 제작된 것 중 가장 강력하고 가장 큰 망원경입니다. 망원경은 1961년부터 1968년까지 수은, 제미니, 아폴로 프로그램을 이끌었던 NASA의 전설적인 관리자 제임스 E. 웹의 이름을 따서 명명되었습니다.
출처: NASA
JWST는 매우 강력하여 우주에서 처음으로 점화된 별들을 관측하고 잠재적으로 거주 가능성이 있는 외계 행성을 찾는 데에도 동일하게 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 결과를 얻기 위해 과학자와 엔지니어들은 망원경이 달성할 수 있는 한계를 뛰어넘는 놀라운 작업을 수행했습니다.
왜 망원경을 우주에 두어야 할까?
제임스 웹 우주 망원경에 대해 먼저 이해해야 할 점은 왜 처음부터 우주에 있어야 하는가입니다. 결국 복잡한 장비를 우주로 올리는 것은 지구에서 동일한 장비를 제작하는 것보다 훨씬 어렵습니다.
대기권을 벗어나면 망원경은 빛 공해, 대기 난기류, 그리고 물론 구름과 날씨 패턴에 방해받지 않는 우주를 관찰할 수 있습니다.
이는 비교적 작은 허블 망원경이 지상 망원경에 비해 뛰어난 성능을 보인 이유이며, JWST에게는 더욱 중요합니다. 왜냐하면 이 망원경은 가시광선이 아니라 적외선을 측정하기 때문입니다.
지구 대기의 수증기는 적외선 복사를 흡수합니다. 지상 적외선 망원경은 가시성을 높이기 위해 고산과 건조한 기후에 설치되는 경우가 많지만, 여전히 이상적이지 않으며 관측 가능한 범위에 근본적인 한계를 만들게 됩니다.
JWST는 적외선 천문 위성(IRAS), 스피처 우주 망원경, 그리고 와이드필드 적외선 탐사 위성(WISE) 뒤를 잇는 최신이자 단연 가장 강력한 우주 기반 적외선 망원경입니다.
JWST는 2021년 프랑스어 아리안 5 발사체에 의해 프랑스령 기아나에서 발사되었습니다. 한 달 후, 지구에서 약 150만 킬로미터(93만 마일) 떨어진 태양-지구 L2 라그랑주 점에 도착했습니다.
라그랑주 점은 지구를 기준으로 일정한 위치를 유지하는 우주 지점으로, 지구 궤도에 있지는 않지만 상대적으로 고정된 위치에 있습니다. 현재 다른 라그랑주 점(L1)은 DSCOVR: Deep Space Climate Observatory에 의해 사용되고 있습니다.
출처: NOAA
JWST의 위치는 지구와 태양 방향이 아닌 한 연중 거의 모든 하늘의 지점을 관측할 수 있음을 의미합니다; 하늘의 39%가 언제든지 Webb에 의해 관측될 수 있습니다.
왜 적외선 관측을 사용하는가?
먼 천체
우주에서 매우 먼 천체의 경우 ‘적색편이’ 현상이 발생하여 빛이 적외선 쪽으로 이동합니다. 따라서 우주의 매우 깊고 고대인 영역을 관측하려면 적외선 파장대에서 이루어져야 합니다.
출처: SciTech Daily
이 현상 때문에 허블은 거리와 시간상으로 첫 은하가 형성될 때까지만 관측할 수 있었습니다. 적외선을 통해 JWST는 우주의 역사에서 최초의 별이 형성되는 시점까지 관측할 수 있습니다.
외계 행성
적외선 관측은 이번에는 외계 행성 분석에 또 다른 장점을 제공합니다. JWST는 코로나그래프라는 시스템을 탑재할 예정이며, 이는 별에서 나오는 빛을 차단해 작은 외계 행성처럼 밝기가 낮은 궤도 물체를 더 잘 볼 수 있게 합니다.
외계 행성의 이미지는 넓은 파노라마가 아니라 하나의 점에 불과합니다.
출처: NASA
그 점에서 나오는 빛은 스펙트로스코피라는 방법으로 분석될 수 있으며, 이를 통해 외계 행성 대기의 구성 성분을 알 수 있습니다. 적외선 파장에서 외계 행성 대기의 분자들은 가장 많은 스펙트럼 특징을 가지고 있어 가시광선보다 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.
이 방법을 통해 우리는 다른 태양계 행성에 물과 이산화탄소뿐만 아니라 메탄, 암모니아, 혹은 외계 생명 가능성을 시사하는 복잡한 분자까지도 존재하는지를 판단할 수 있습니다.
JWST와 허블의 비교
관측 능력 측면에서 JWST는 주로 근적외선에 초점을 맞추지만, 사용되는 기기에 따라 주황색 및 빨간색 가시광선과 중적외선 영역도 관측할 수 있습니다.
JWST는 허블이 감지할 수 있는 밝기의 100배에 해당하는 미약한 물체까지 탐지할 수 있습니다. 또한 많은 경우 허블이 최초로 밝혀낸 물체들을 다시 관찰하여 새로운 통찰을 얻는 데 사용됩니다.
하지만 적외선 이미지는 파장이 길어 본질적으로 가시광선보다 선명도가 낮기 때문에 이미지 선명도는 허블과 비슷할 것입니다.
두 상징적인 망원경 사이의 또 다른 차이점은 JWST가 가시광선을 차단하지만 적외선은 통과시키는 가스 구름을 관통할 수 있다는 점입니다. 따라서 JWST가 촬영한 이글 성운의 유명한 ‘창조의 기둥’ 사진은 기둥 내부와 주변에 많은 별들을 보여줍니다.
출처: Webb Telescope
JWST 사양
JWST는 18개의 개별 육각형 거울로 구성된 6.5미터(21피트) 금 코팅 베릴륨 주경을 탑재하고 있어 독특한 외관을 가지고 있습니다.
각 거울의 무게는 20kg(44파운드)이며, 100나노미터 두께의 금 코팅은 적외선 반사를 제공하고 유리로 덮여 충분히 내구성을 갖추었습니다. 이는 허블보다 6배 큰 광수집 면적을 제공합니다. 전체 금 사용량은 48.25g(1.7온스)뿐입니다.
출처: NASA
Webb는 허블과 달리 지구와의 거리가 멀어 우주비행사가 정비하도록 설계되지 않았습니다. 따라서 모든 핵심 부품은 이중화되어 있으며, 예를 들어 두 개의 근적외선 카메라가 있거나 거울처럼 수년간 지속되도록 설계되었습니다.
JWST는 최소 5년, 목표는 10년의 운용을 기대하고 있습니다. 그러나 라그랑주 점에 머무르기 위한 추진제가 총 20년분 확보되어 있어 주요 부품이 고장 나지 않는 한 더 오래 운영될 수 있습니다.
JWST 예산
전체적으로 제임스 웹 우주 망원경은 110억 달러 이상이 소요되었으며, NASA가 처음 예상한 비용보다 10배 이상 초과되었습니다. 이 비용 폭증은 2010년대에 프로젝트의 지속 가능성을 위협했으며, 당시 예산이 “불과” 65억 달러로 급증했기 때문입니다.
원래 2014년 발사가 계획되었으나 최종적으로 7년 지연된 점도 비판을 가중시켰습니다.
“문제의 근본 원인은 (프로그램이 공식 승인된) 2008년 7월 시점에 NASA에 제시된 예산이 근본적으로 결함이 있었기 때문입니다,” 라고 그는 오후 전화 회견에서 기자들에게 말했습니다.
그때 예산에는 프로젝트가 이미 알고 있던 내용조차 포함되지 않았습니다. 따라서 재정적으로 작업을 수행하기에 충분하지 않았습니다.”
프로젝트가 설계와 구축에 거의 20년이 걸렸지만, NASA 연간 예산의 3%를 초과하지 않았습니다. 그러나 2003년부터 2021년까지 NASA 천체물리학 부서 예산의 3분의 1을 차지했습니다.
그리고 이제 JWST가 천문학 역사상 가장 인상적이고 성공적인 프로그램 중 하나가 되면서, 이러한 논쟁들은 대부분 잊혀지고 있습니다.
JWST의 놀라운 엔지니어링
무게 감소
JWST 설계자들이 해결해야 할 첫 번째 문제는 이렇게 큰 거울이 너무 무거워질 것이라는 점이었습니다. 허블의 설계를 재사용했다면 우주로 발사하기에 무겁게 될 것입니다.
이 때문에 강도와 경량성을 모두 갖춘 베릴륨을 사용하기로 선택했습니다. 또 다른 요인은 심우주의 극한 온도로, 이는 거울의 매우 정밀한 곡률을 변형시킬 수 있습니다.
베릴륨은 매우 차가운 환경에서도 형태 변화를 멈추기 때문에 좋은 선택이었습니다. 따라서 거울은 ‘잘못된’ 각도로 제작되었으며, 우주의 차가운 온도(-233°C/-388°F)에 노출되면 정확히 의도된 최종 형태로 구부러집니다.
출처: JWST
각 거울은 최종적으로 인간 머리카락 두께의 1/10,000에 해당하는 정밀도로 정렬됩니다.
복합재와 같은 초경량 소재도 망원경의 골격에 선택되어 추가적인 무게를 절감했습니다.
출처: NASA
접어 올리기
또 다른 큰 문제는 이 설계가 요구하는 망원경 거울의 극한 크기가 현재 사용 가능한 로켓에 들어가지 못한다는 점이었습니다.
따라서 초기 단계에서 구조 부품을 하나씩 펼치는 방식, 즉 태양 차폐막과 거울을 포함해 차례로 전개하도록 결정했습니다. 전체를 효율적으로 접고 신뢰성 있게 전개하는 방법이 여전히 과제였습니다.
NASA 과학자들은 종이 접기의 일본 예술인 오리기에서 영감을 받아 최종적으로 육각형 오리기 패턴을 선택했습니다.
이는 제임스 웹 설계팀에게 고위험 결정이었으며, 이처럼 복잡한 전개는 이전에 시도된 적이 없었습니다. 어떤 실패도 전체 프로젝트를 좌초시킬 수 있었습니다.
이 짧은 JWST 영상에서 전개 과정이 단계별로 어떻게 진행되는지 확인할 수 있습니다.
태양 차폐막
망원경이 적외선으로 목표를 관측하기 때문에, 거울을 충분히 가볍고 올바르게 전개하는 것만큼이나 태양의 열로부터 보호하는 것이 필수적이었습니다.
JWST의 태양 차폐막은 5층 절연 덕분에 망원경의 뜨거운 면과 차가운 면 사이의 온도 차이를 거의 315°C/600°F로 유지합니다.
태양 차폐막은 테니스 코트만큼 크며, 알루미늄 및 도핑된 실리콘 코팅이 적용된 Kapton E(폴리이미드 필름) 층으로 구성되어 태양의 열을 우주로 반사합니다.
통신
JWST는 NASA의 딥 스페이스 네트워크를 통해 데이터를 전송하고 지구로부터 명령을 수신합니다. 이 네트워크는 캔버라, 마드리드, 골드스톤에 위치한 지상국을 경유합니다.
Webb는 매일 최소 57.2기가바이트의 과학 데이터를 다운로드할 수 있으며, 최대 전송 속도는 초당 28메가비트입니다.
출처: Webb Telescope
기타 구성 요소
망원경의 나머지 부분도 기술 수준과 성능 면에서 뒤처지지 않았습니다. 몇몇 장비는 특별히 언급할 가치가 있습니다:
- Cryocooler: JWST의 중적외선 (MIRI) 센서는 -266.15°C/-447°F에서 작동해야 하며, 이는 심우주보다도 더 차갑습니다. 따라서 장비를 냉각하기 위해 추가 냉각 시스템이 필요했습니다.
- Backplane: 망원경의 골격은 2.4톤(5,300파운드)이며, 망원경이 선명한 사진을 찍기 위해 필요한 절대적인 무동 상태를 제공합니다. 이는 32나노미터까지 안정적으로 유지되도록 설계되었으며, 이는 인간 머리카락 직경의 1/10,000에 해당합니다.
- Micro-shutters: 이 248,000개의 작은 문으로 이루어진 격자는 개별적으로 열고 닫을 수 있어 빛을 통과시키거나 차단합니다. 이를 통해 JWST는 별이나 은하가 있는 영역에서 수백 개의 개별 물체를 동시에 관측할 수 있습니다. 결과적으로 JWST는 주어진 시간 동안 훨씬 더 많은 관측을 수행할 수 있습니다.
JWST의 성과
운용된 지 몇 년에 불과하지만 JWST는 이미 천문학자들의 우주 이해 방식을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 따라서 지금까지 이룬 모든 것을 나열하기는 거의 불가능하지만, 몇몇 사례는 추가로 강조할 가치가 있습니다.
새로 형성된 탄소의 확산
JWST는 우리 은하계에서 약 5,000광년 떨어진 두 별이 탄소가 풍부한 먼지를 생성한다는 것을 확인했습니다. 두 별의 충돌하는 태양풍에 의해 형성된 동심 구형 ‘껍질’을 포착했으며, 이는 새로 형성된 탄소를 은하 전역으로 퍼뜨립니다.
출처: Webb Telescope
각 껍질은 별로부터 초당 1,600마일(2,600km) 이상의 속도로 이동하고 있으며, 이는 빛의 속도의 약 1%에 해당합니다. 이 시스템에서 관측소는 먼지 껍질이 매년 확장되고 있음을 보여줍니다.
망원경의 중적외선 이미지에서는 130년 이상 지속된 껍질을 감지했으며, 오래된 껍질은 충분히 소멸해 현재는 너무 어두워서 탐지되지 않습니다.
우리 태양계 가장자리의 활발한 물체들
JWST는 해왕성 근처에 있는 얼음성 ‘센타우루스 29P/Schwassmann-Wachmann’에서 가스 방출을 감지했습니다.
그들은 새로운 일산화탄소(CO) 제트와 이전에 보이지 않았던 이산화탄소(CO2) 가스 제트를 발견했으며, 이는 해당 천체 핵심의 성질에 대한 새로운 단서를 제공합니다.
출처: Webb Telescope
근처 외계 행성의 이미지
JWST는 우리로부터 12광년 떨어진 외계 행성 Epsilon Indi Ab의 직접 이미지를 포착했습니다. 이 행성은 목성보다 몇 배 무겁고, 우리 태양과 약간 유사한 별을 공전합니다.
이는 직접 탐지된 가장 차가운 외계 행성 중 하나이며, 평균 온도는 약 2°C/35°F(참고로 지구 평균 온도는 15°C(59°F)입니다.
차가운 행성은 매우 희미하며, 대부분의 방출은 중적외선에 있습니다.
이 행성은 약간 더 따뜻하고 더 무겁지만, 지금까지 이미지화된 어떤 행성보다도 목성과 더 유사합니다.
형성 중인 행성의 복잡한 분자
오리온 성운에서 1,350광년 떨어진 별 주위에 형성 중인 원시 행성계 원반에서 JWST는 메틸 양이온(CH3+)을 감지했습니다.
한편, 외계 행성 K2-18 b는 수소가 풍부한 대기와 물로 뒤덮인 해양 표면을 가질 가능성이 있는 하이시언(Hycean) 외계 행성일 수 있습니다.
K2-18 b와 같이 지구와 해왕성 사이 크기를 가진 외계 행성은 우리 태양계의 어떤 것과도 다릅니다. 우리의 발견은 다른 곳에서 생명을 찾는 과정에서 다양한 거주 가능한 환경을 고려하는 것이 중요함을 강조합니다.
JWST는 또한 행성 대기에서 여러 탄소 화합물과 디메틸 설파이드까지 발견했습니다.
출처: NASA
JWST는 우리 태양계 밖에서 처음으로 에탄(C2H6)과 에틸렌(C2H4), 프로핀(C3H4), 그리고 메틸 라디칼 CH3을 젊은 별 주변에서 발견했습니다.
또한 별 합병으로부터 나온 무거운 원소들을 최초로 탐지했으며, 이는 지금까지 두 번째로 밝은 감마선 폭발, 즉 킬로나바를 초래했습니다. JWST 과학자들은 폭발 후 텔루륨을 감지했습니다.
지금까지 발견된 가장 먼(고대) 블랙홀
NASA의 찬드라 X선 관측소와 협력하여 JWST는 빅뱅 4억 7천만 년 후에 성장 중인 블랙홀을 탐지했습니다. JWST는 그 은하를 발견했고, 찬드라는 블랙홀 자체를 발견했습니다.
출처: NASA
우리는 이것이 거대한 가스 구름의 붕괴로 직접 형성된 ‘초대형 블랙홀’ 최초 탐지라고 생각합니다.
처음으로 우리는 초대질량 블랙홀이 은하의 별들만큼 무게를 가지고 있다가 곧 뒤처지는 짧은 단계를 목격하고 있습니다.
JWST의 미래
외계 행성을 찾고 분석한 뒤, JWST는 이제 외계 위성을 찾는 탐사에 나섭니다. 이러한 행성체는 경우에 따라 지구보다 클 수도 있으며 존재할 것으로 예상되지만, 이를 감지할 만큼 민감한 장비는 없었습니다. 목성처럼 가스 거대 외계 행성이 주요 후보입니다.
JWST는 또한 초대질량 블랙홀과 퀘이사를 조사할 것이며, 이 블랙홀들은 극에서 빛의 속도에 가까운 양의 물질을 내뿜습니다. 망원경은 이러한 천체 현상의 매우 초기 표본에 초점을 맞출 것입니다.
마지막으로, 초기 은하와 우주의 대규모 구조를 연구함으로써 수십 년 동안 과학자들을 괴롭혀 온 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있을 것입니다.
JWST의 주요 민간 계약업체
노스럽 그루먼 에어로스페이스 시스템즈
(NOC )
JWST와 같은 프로젝트는 거의 항상 국제 협력의 결과입니다, with, in this case, the participation of NASA, ESA, and the Canadian Space Agency.
또한 민간 부문의 많은 계약업체가 참여했으며, 그 중 가장 눈에 띄는 기업은 항공우주 및 방위 회사인 노스럽 그루먼입니다.
노스럽 그루먼은 상징적인 B-2 스텔스 전략 폭격기를 만든 것으로 가장 유명하며, 각각 거의 10억 달러의 비용이 듭니다. 20년 넘게 이어온 이 설계는 아직 개발 중인 B-21으로 대체될 예정입니다.
이 회사는 최첨단 제임스 웹 우주 망원경 작업을 통해 우주 기술의 최전선에 서 있습니다. 회사 매출의 대부분은 우주 및 항공 시스템에서 발생합니다.
출처: Northrop
또 다른 큰 부문은 미션 시스템 부서로, 다양한 센서, 사이버 방어 소프트웨어, 보안 통신 및 C4ISR(지휘, 통제, 통신, 컴퓨터, 정보, 감시 및 정찰)을 포함합니다.
또한 소형 탄약부터 유도탄 및 대형 탄약에 이르기까지 탄약 생산을 선도하고 있습니다.
노스럽 그루먼은 자율 무기 시스템의 개발 및 배치를 통해 첨단 무기 공급업체로서의 입지를 기대하고 있습니다:
- X-47B, 꼬리 없는 스트라이크 전투기 크기의 무인 항공기.
- 헬리콥터 드론 Fire Scout.
- 감시 드론 Global Hawk와 MQ-4C Triton.
- 해양 드론 Manta Ray와 AQS-24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), 다목적, 지속적이며 저렴한 전술 무인 항공 시스템.
출처: Northrop
이 회사는 직접 에너지 무기(레이저), 전자전, 안티드론 시스템, 그리고 대륙간 탄도 미사일 개발의 최전선에 있습니다.
투자 및 재무 관점에서 노스럽 그루먼은 2014년 이후 연평균 12% 배당금을 증가시켰으며, 주식 수를 31% 감소시켰습니다. 그 결과 2023년에는 26억 달러의 배당금 및 자사주 매입을 실시했으며, 자유 현금 흐름은 21억 달러를 창출했습니다.
노스럽 그루먼은 거의 전적으로 미국 방위 예산에서 매출을 얻고 있으며, NASA가 매출의 3%를, 국제 판매가 12%를 차지합니다.
출처: Northrop
RTX와 록히드와 같은 기업이 미 공군의 주력(전투기, 미사일, 방공)을 제공하는 반면, 노스럽 그루먼은 우주부터 통합 지휘 및 스텔스 중폭기까지 가장 첨단 역량을 제공하고 있습니다.
그리고 곧 첨단 드론, 전자전, 에너지 무기의 상당 부분도 담당하게 될 것입니다.
드론과 전자전의 중요성이 커짐에 따라 노스럽은 미국의 공격 및 방어 능력의 핵심이 될 가능성이 높습니다. 또한 새로운 스텔스 폭격기는 러시아와 중국과 같은 경쟁 적과의 긴장이 매우 높은 상황에서 속도를 맞추는 핵심 요소가 될 것입니다.
